岩石微尺度模型重建及其热-流-固耦合细观机理研究 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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宋睿 著

图书标签:

• 岩石力学
• 微尺度建模
• 热-流-固耦合
• 细观机理
• 数值模拟
• 多孔介质
• 岩石物理
• 损伤力学
• 连续介质力学
• 数值计算

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030554789

版次：01

商品编码：12278829

包装：平装

开本：16开

出版时间：2018-01-01

页数：184

字数：227800

正文语种：中文

内容简介

　　本书是作者近年来在岩石微尺度孔隙建模研究及岩石热流-固耦合细观机理研究的成果总结。全书共分9章，第一章简要介绍了岩石微尺度建模及热流-固耦合细观机理研究的研究现状及不足，简要概述了全书的主要内容与创新点；第二章介绍了岩石微米级成像技术分类、岩石微尺度图像处理方法及孔隙度与孔径分布参数的获取；第三章介绍了基于微流边界层理论的孔隙流体热流固耦合数学模型及实现方法；第四章介绍了二维微观水驱油物理模型实验及数值模拟研究；第五章介绍了基于*大球法构建的等效孔隙网络模型方法，及基于该模型的单相、油水两相渗流数值模拟；第六章介绍了岩石非结构化网格模型重建方法及基于该模型的单相、油水两相渗流数值模拟和单相流固耦合机理研究；第七章介绍了岩石结构化网格模型重建方法，并与第五、第六章中的重建方法进行了对比分析；第八章介绍了基于岩石微米压痕实验的微尺度岩石力学参数的获取，并利用结构化网格模型再现了了微米压痕实验过程，预测了岩石微米尺度下的屈服极限；第九章介绍了基于岩石结构化网格模型的热流固耦合机理数值模拟研究成果

目录

目 录
第1章 绪论1
1.1 研究目的与意义1
1.2 国内外研究现状2
1.2.1 孔隙结构获取及表征研究动态2
1.2.2 岩石热-流-固耦合研究现状14
1.3 主要研究内容与技术路线18
1.3.1 主要研究内容18
1.3.2 研究技术路线19
第2章 岩心微CT成像及孔喉参数获取21
2.1 岩心微CT成像实验21
2.1.1 岩心成像简介21
2.1.2 微CT成像技术22
2.1.3 三维岩石微观CT图像23
2.2 图像处理27
2.2.1 图像提取27
2.2.2 图像降噪及二值化28
2.3 岩心特征参数获取31
2.3.1 利用样品图像计算孔隙度31
2.3.2 孔径分布计算33
2.4 本章小结35
第3章 基于N-S方程的多孔介质流体输运数学模型36
3.1 基于微流边界层理论的孔隙多相流体渗流数学模型37
3.1.1 基本方程组37
3.1.2 多相流体表面张力及润湿性表征39
3.1.3 微观水驱油过程模拟40
3.1.4 岩石骨架变形数学模型41
3.2 岩石热-流-固耦合的实现过程41
3.3 微流边界层理论及应用43
3.3.1 固体表面对液体分子间作用力43
3.3.2 微流边界层内流体黏性系数45
3.3.3 微毛细管单相渗流数值模拟及实验验证45
3.3.4 微毛细管油水两相渗流数值模拟51
3.4 本章小结54
第4章 二维微观水/CO2驱油实验及数值模拟研究55
4.1 微观水驱油模型实验55
4.2 二维孔隙模型重建及壁面距离的求解56
4.2.1 二维孔隙模型重建56
4.2.2 壁面距离求解58
4.3 数值模拟58
4.3.1 微观水/CO2驱饱和油数值模拟58
4.3.2 油驱水后水驱油62
4.4 本章小结64
第5章 基于最大球法的等效孔隙网络模型构建及渗流规律研究65
5.1 基于最大球法的孔隙网络模型重建65
5.1.1 建模流程65
5.1.2 孔隙网络模型参数分析68
5.2 基于泊肃叶定律的两相渗流数学模型71
5.2.1 渗透率计算71
5.2.2 准静态油水驱替过程模拟72
5.3 单相及油水两相渗流数值模拟结果73
5.3.1 绝对渗透率预测73
5.3.2 油水两相渗流过程预测74
5.3.3 不同润湿性条件下水驱油两相渗流规律76
5.4 本章小结78
第6章 基于非结构化网格模型的水驱油过程及流-固耦合机理研究79
6.1 微尺度岩心三维非结构化网格模型建模79
6.2 单相及油水两相渗流机理研究81
6.2.1 单相流模拟及渗透率预测82
6.2.2 油水两相渗流模拟84
6.3 单相流-固耦合数值模拟研究86
6.3.1 模型相关参数86
6.3.2 流-固耦合数值模拟88
6.4 本章小结91
第7章 岩心微尺度结构化网格模型重建方法及与其他重建模型的对比分析93
7.1 结构化网格建模流程93
7.2 等效孔隙网络模型、非结构化和结构化网格模型的对比分析100
7.2.1 模型拓扑结构对比101
7.2.2 绝对渗透率预测对比107
7.2.3 油水驱替过程预测对比108
7.3 本章小结111
第8章 基于压痕实验的岩心微观力学性能测试113
8.1 压痕实验简介114
8.2 基于压痕实验的岩石力学参数测定115
8.2.1 实验过程115
8.2.2 实验数据处理117
8.3 基于压痕实验数据和岩样微尺度有限元模型的数值模拟研究119
8.3.1 几何模型121
8.3.2 数值模拟122
8.4 本章小结127
第9章 热-流-固耦合作用下水驱油机理研究128
9.1 油水两相渗流128
9.1.1 水驱饱和油模型128
9.1.2 流体物性的影响130
9.1.3 岩石润湿性的影响140
9.2 热-流-固耦合数值模拟142
9.2.1 模型边界条件142
9.2.2 应力和温度对孔隙结构演化及渗透率的影响143
9.2.3 应力、温度对水驱油效果的影响150
9.3 本章小结154
参考文献156

晶体结构演化与材料本征性能的跨尺度模拟 本书聚焦于现代材料科学与工程领域的前沿课题——基于第一性原理和分子动力学方法的晶体结构演化与材料本征性能的精细化模拟。全书系统梳理了当前计算材料学领域的核心理论框架、先进的计算工具，并结合一系列具有实际工程意义的案例，深入探讨了材料在不同环境条件下的微观行为及其宏观性能的关联机制。 第一部分：计算模拟的理论基石与方法论 本部分奠定了全书的理论基础，详细阐述了用于描述原子间相互作用的量子力学原理，特别是密度泛函理论（DFT）的应用及其在计算电子结构、能带结构、晶格振动（声子谱）中的关键作用。我们着重探讨了当前主流泛函的选择标准、自洽场（SCF）迭代过程的收敛性控制，以及如何通过适当的范德纳瓦尔斯（vdW）校正和Hubbard U项的引入，提高对复杂体系，特别是过渡金属氧化物和二维材料的描述精度。 随后，本书深入介绍了原子尺度的分子动力学（MD）模拟方法。区别于量子力学计算的高昂成本，MD模拟在研究时间尺度更长、原子数量更多的系统动力学行为方面展现出无可替代的优势。我们详细分析了势函数（如EAM、MEAM、ReaxFF）的构建原理、参数化过程及其适用范围。特别关注了如何将量子力学计算的结果映射到高效的经典势函数中，以实现“QM/MM”（量子力学/分子力学）的有效耦合，从而在保证计算精度的同时，拓展了可模拟体系的尺度。 此外，本书还涵盖了介尺度模拟方法的进展，包括相场（Phase Field）模型在描述微观结构演化（如晶粒生长、相分离）中的应用，以及如何将微观模拟的结果作为输入参数，驱动介观尺度的连续介质力学分析。这部分内容旨在搭建从原子到宏观尺度的桥梁，实现多尺度建模的无缝衔接。 第二部分：晶体缺陷、相变与界面动力学 材料的宏观性能往往由其内部的缺陷、相界和表界面结构所主导。本部分将视角聚焦于这些微观结构单元的形成机制和演化规律。 我们首先对晶体缺陷进行了详尽的分类和分析，包括点缺陷（空位、间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）。通过计算缺陷形成能、迁移能垒，我们量化了这些缺陷对材料电学、力学性能的影响。例如，详细模拟了高熵合金中局域无序结构对位错运动的钉扎效应，并从原子层面解释了其硬化机制。 相变研究是材料科学的核心议题。本书采用动力学蒙特卡洛（KMC）和MD模拟相结合的方法，系统研究了固态材料中的扩散过程和相变动力学。重点分析了扩散机制（如逐空位机制、原子跃迁路径）的温度依赖性，并结合温度梯度下的热力学驱动力，模拟了马氏体相变、析出相形核与长大过程。对于涉及原子重排的复杂相变，我们引入了基于序参量的相场模型，成功再现了非平衡相界移动的速度和形态。 界面物理是控制异质结性能的关键。本书深入探讨了不同晶体取向之间界面能的计算方法，以及界面结构弛豫对界面电子结构、电子隧穿概率的影响。通过对金属/半导体界面、或陶瓷/金属界面偏析行为的模拟，揭示了界面能的微观根源及其对界面结合强度的调控作用。 第三部分：材料本征性能的计算表征与预测 本部分将理论模拟工具应用于具体材料性能的计算与预测，旨在建立“结构-性能”的定量关联。 1. 力学性能模拟： 详细介绍了如何通过拉伸、剪切、压缩等应力加载模拟，计算材料的弹性模量、剪切模量和泊松比。特别关注了纳米尺度材料的尺寸效应，例如，利用MD模拟揭示了在极高应变率下材料的非线性粘塑性行为，以及在晶界附近的应力集中与开裂萌生。 2. 热学与输运性能： 热导率的计算是利用声子理论（玻尔兹曼输运方程或直接计算方法）和MD模拟相结合进行的。本书详细解析了如何通过计算声子散射率，解释晶体缺陷和无序结构对晶格热导率的有效降低机制，这对热电材料的设计至关重要。此外，还探讨了电子输运性能（如电导率、霍尔效应）的计算方法。 3. 电化学与催化活性： 对于能源材料体系，我们运用DFT计算了材料的电荷转移特性、表面吸附能和反应能垒。重点分析了锂离子电池电极材料中锂离子在晶格内的扩散路径和动力学限制，以及在催化反应中活性位点的电子结构特征，为优化电极界面和设计高活性催化剂提供了理论指导。 第四部分：先进材料体系的模拟案例研究 最后，本书选取了几类具有代表性的先进功能材料，展示了上述计算方法的综合应用能力： 钙钛矿材料的稳定性和离子迁移： 模拟了有机-无机钙钛矿材料在湿度和温度耦合作用下的结构弛豫过程，量化了有机组分对晶格稳定性的影响，并分析了碘离子迁移的能垒，为解决其长期稳定性问题提供了微观洞察。 二维材料的层间耦合与异质结： 研究了范德华异质结的形成能、带隙调控以及层间摩擦学行为，揭示了层间相互作用对电子态和机械响应的精细控制潜力。 辐照损伤的原子尺度模拟： 结合高能粒子碰撞模型，模拟了重离子辐照在金属或陶瓷材料中引发的级联损伤、空位团的形成和迁移，预测了材料的抗辐照性能。 全书结构严谨，内容深入浅出，力求将复杂的理论概念与实际计算技术紧密结合，旨在为从事计算材料学、凝聚态物理、材料物理与化学等领域的研究人员、工程师和高年级研究生提供一份兼具理论深度和实践指导意义的参考专著。读者通过学习本书，将能够独立构建和执行复杂的原子尺度模拟项目，从而有效指导新材料的理性设计与性能优化。

评分☆☆☆☆☆

这本书的题目“岩石微尺度模型重建及其热-流-固耦合细观机理研究”，听起来就非常高端大气上档次，感觉不是我这种门外汉能够轻易理解的。但“微尺度模型重建”这几个字，却意外地吸引了我。我一直很好奇，那些我们看到的巨大岩石，在肉眼看不到的微观世界里，到底是什么样子的？是不是像搭积木一样，由无数细小的颗粒组成？这本书会不会就告诉我们，如何用技术手段，把这些微小的结构“复原”出来，并且还能搭建一个逼真的“三维模型”？这光是想想就觉得很厉害。而更复杂的是“热-流-固耦合”这部分，感觉像是在说，岩石不仅会因为受力而变形，还会因为温度变化和水分子的渗透而发生一系列复杂的变化。我猜想，书中会详细讲解，为什么岩石在高温环境下会变得不一样，为什么地下水能够让岩石变得更脆弱，以及这些因素是如何协同作用，最终影响到我们看到的岩石的宏观表现。这对于理解地下工程，比如修隧道、挖矿井，或者开发地热资源，肯定有非常重要的意义。我希望这本书能用一种我能理解的方式，解释清楚这些深奥的科学原理。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，第一次看到“岩石微尺度模型重建及其热-流-固耦合细观机理研究”这个书名，我脑子里立刻就浮现出那些充满公式和图表的学术专著。它听起来像是一本对岩石力学领域有深入研究的学者才会认真翻阅的书籍，对于我这样的普通读者来说，可能会有些望而却步。但同时，“微尺度模型重建”这个词又勾起了我的好奇心——我很好奇，在如此微小的尺度下，岩石的结构究竟是怎样的？是不是和我们想象的完全不一样？而“热-流-固耦合”更是将复杂性推向了另一个层次，它意味着书里会探讨温度、流体以及力学载荷这三个看似独立的因素，是如何在岩石内部交织作用，产生我们肉眼可见的宏观变化。比如，温度升高会不会让岩石中的水变得更有“活力”，从而加速岩石的破坏？或者，当有地下水渗透进来时，岩石的承载能力会因此减弱多少？书中是否会通过详细的计算和模拟，给出这些问题的答案？我猜测，这本书的价值在于它能将抽象的物理过程，通过精密的模型和严谨的研究方法，展现出来，让我们能够更深入地理解那些隐藏在自然界和工程应用背后的科学原理。

评分☆☆☆☆☆

“岩石微尺度模型重建及其热-流-固耦合细观机理研究”——这个书名听起来就像一本能带我进入岩石内部奇妙世界的指南。我一直觉得，我们平时看到的那些巍峨的山峦、坚硬的岩壁，其背后一定隐藏着不为人知的精巧结构。这本书提到了“微尺度模型重建”，光是这个概念就让人觉得充满了科学的魅力。我很好奇，作者是如何用技术手段，把那些肉眼无法企及的岩石内部的细微之处，例如那些微小的孔隙、晶粒边界、甚至纳米尺度的裂纹，都给“描绘”出来，并且还能构建出精确的三维模型。这一定是一个充满挑战但又极具价值的过程。而更让我兴奋的是“热-流-固耦合”这部分，这意味着它不仅仅是静态的结构描述，而是探讨岩石在受热、流体渗透和力学加载等多种因素共同作用下的复杂行为。我猜想，书中会详细讲解温度变化是如何引起岩石膨胀或收缩，流体压力是如何影响岩石的孔隙度和渗透性，以及这些因素是如何与外加的机械应力相互叠加，最终影响岩石的整体稳定性和变形特性。这种多物理场耦合的研究，对于理解地震发生机制、页岩气开采效率、以及地下水资源的运移规律等等，都具有极其重要的理论和实践意义。这本书无疑为我们揭示岩石深层奥秘打开了一扇新的大门。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字听起来就非常专业，让人立刻联想到那些需要深厚理论功底和严谨实验支持的学科。我之前就对岩石的微观结构如何影响宏观力学行为产生过浓厚的兴趣，这本书的书名恰好点明了这一点。尤其“微尺度模型重建”这几个字，让我好奇作者是如何将肉眼看不见的岩石内部精细结构“复现”出来的，这其中必然涉及了大量先进的成像技术和数据处理方法。想象一下，能够“看到”岩石内部的细小裂缝、孔隙以及不同矿物颗粒之间的相互作用，这本身就是一项了不起的成就。而“热-流-固耦合”更是点睛之笔，意味着这本书不仅仅关注静态结构，更深入探讨了岩石在温度变化、流体渗透以及外部载荷共同作用下的动态响应。这对于理解很多地下工程，比如油气开采、地热开发、地下水文地质以及核废料处理等领域，都至关重要。我非常期待书中能详细阐述这些耦合作用是如何发生的，以及它们是如何影响岩石的宏观力学性质，例如强度、变形和渗透率等。希望这本书能提供清晰的理论框架和令人信服的案例，让我能更深入地理解岩石这种复杂介质的内在规律。

评分☆☆☆☆☆

“岩石微尺度模型重建及其热-流-固耦合细观机理研究”，光是听这个书名，就觉得里面蕴含着一股浓厚的学术气息，仿佛打开了一扇通往岩石世界深处的大门。我一直觉得，岩石这种看似平凡的物质，其实拥有着极其复杂和精妙的内部构造，而“微尺度模型重建”这个概念，让我对作者如何将这些肉眼不可见的结构“还原”出来产生了浓厚的兴趣。我猜想，书中会详细介绍一系列先进的成像技术，例如X射线CT、扫描电镜等，以及复杂的图像处理和三维建模算法，来精确地捕捉岩石内部的孔隙、颗粒形状、以及它们之间的连接关系。更让我着迷的是“热-流-固耦合”这一部分，它意味着这本书不仅仅停留在静态的结构描述，而是要深入探讨岩石在温度、流体压力和外力作用下的动态演化过程。我非常期待书中能够清晰地阐述，当岩石受热时，内部的矿物会发生怎样的膨胀或收缩？当有流体渗透进来时，这些孔隙会如何被填充，又会对岩石的力学性能产生什么影响？而当受到外力挤压时，这些因素又会如何协同作用，最终导致岩石的破裂或变形？这本书无疑提供了一个深入理解地下岩体行为的科学视角。